電壓比較器弛振蕩器有模擬開關(guān)演示文稿

電壓比較器弛振蕩器有模擬開關(guān)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)優(yōu)選電壓比較器弛振蕩器有模擬開關(guān)當(dāng)前第2頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)電壓比較器的基本特性電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當(dāng)于數(shù)字電路中的邏輯“1”，低電平相當(dāng)于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個狀態(tài)，“1”或是“0”。如前所述，比較器都工作在非線性狀態(tài),所以“虛短路”概念不能隨便應(yīng)用。當(dāng)前第3頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖給出了電壓比較器的符號及傳輸特性曲線。其反相輸入端加信號ui，同相輸入端加參考電壓(ur)。比較器一般是開環(huán)工作的，其增益很大。所以，當(dāng)ui＜ur時，輸出為“高”；反之，當(dāng)ui＞ur時，輸出為“低”。而當(dāng)ui接近ur時，輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換，僅僅在此刻，同相端和反相端可看成“虛短路”。其他時刻U+與U－可能差得很遠(yuǎn)(即U+≠U－)。電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量(0或1)，可作為模擬和數(shù)字電路的接口電路，也可作為一位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)前第4頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖電壓比較器的符號及傳輸特性曲線(a)符號；(b)傳輸特性曲線當(dāng)前第5頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

1.高電平(UoH)和低電平(UoL)電壓比較器可以用運(yùn)放構(gòu)成，也可用專用芯片構(gòu)成。用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負(fù)電源電壓(－UEE)。專用比較器的輸出電平一般與數(shù)字電路兼容，即UoH=3.4V左右，UoL=－0.4V左右。當(dāng)前第6頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

2.鑒別靈敏度事實(shí)上，集成運(yùn)放和專用比較器芯片的Aud不為無窮大，ui在ur附近的一個很小范圍內(nèi)存在著一個比較器的不靈敏區(qū)。如圖3.1.1(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內(nèi)輸出狀態(tài)既非UoH，也非UoL，故無法對輸入電平大小進(jìn)行判別。Aud越大，則這個不靈敏區(qū)就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。當(dāng)前第7頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

3.轉(zhuǎn)換速度作為比較器的另一個重要特性就是轉(zhuǎn)換速度，即比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時間。通常要求轉(zhuǎn)換時間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。比較器的轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR有關(guān)，SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間越短，轉(zhuǎn)換速度越快。當(dāng)前第8頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用——簡單比較器

1.過零比較器在圖3.1.1(a)中，令參考電平ur=0，則輸入信號ui與零比較，ui＞0，輸出為低(UoL)，而ui＜0，輸出為高，其波形如圖3.1.2(a)所示。這種電路可作為零電平檢測器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。當(dāng)前第9頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖過零比較器及脈寬調(diào)制器輸出波形(a)過零比較器整形波形；(b)脈寬調(diào)制器輸出波形當(dāng)前第10頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

2.脈寬調(diào)制器若參考信號ur為三角波，而輸入信號ui為緩變信號，如經(jīng)傳感器變換的溫度、壓力等信號，則隨著ui的變化，輸出矩形波的脈寬也隨之變化。所以，開環(huán)比較器還可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，如圖3.1.2(b)所示。當(dāng)前第11頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

【例】電路及輸入信號波形ui分別如圖3.1.3(a)、(b)所示，其中C為交流耦合電容,試分別畫出uo1和uo2的波形圖。

解

(1)判斷電路組態(tài)。觀察電路可知，信號ui經(jīng)隔直流電路(RC)加到A1同相端，反饋加到反相端，故A1接成同相比例放大器，其增益Auf1=(1+R2/R1)=2。

A1輸出送到A2同相端，A2開環(huán)工作，構(gòu)成簡單比較器，其比較器的參考電壓Ur=－2V。當(dāng)前第12頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖運(yùn)放電路、波形圖及仿真圖當(dāng)前第13頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

(2)uo1波形。

ui=1V+2sinωt(V)(如圖3.1.3(b)所示)，經(jīng)隔直流后，u+為正弦波。u+=2sinωt(V)(如圖3.1.3(c)所示)，經(jīng)A1放大后，uo1=Auf1×u+=4sinωt(V)(如圖3.1.3(d)所示)。

(3)uo2波形。

uo1與ur比較，當(dāng)uo1>ur時,輸出為高電平；當(dāng)uo1<ur時，輸出為低電平，故輸出波形uo2為矩形波，如圖3.1.3(e)所示。仿真結(jié)果證明了分析的正確性，如圖3.1.3(f)所示。

(4)傳輸特性，如圖3.1.4(a)、(b)所示。當(dāng)前第14頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.1.4傳輸特性(a)第一級同相比例放大器傳輸特性；(b)第二級簡單比較器傳輸特性當(dāng)前第15頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)遲滯比較器——正反饋比較器——雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.簡單比較器應(yīng)用中存在的問題如圖3.1.1(a)所示的比較器存在兩個問題：一是輸出電壓轉(zhuǎn)換時間受比較器翻轉(zhuǎn)速度(壓擺率SR)的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖3.1.5(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖3.1.5(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯誤的跳變，直至ui遠(yuǎn)離ur值才穩(wěn)定下來。如果對受干擾的uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會多出許多，從而造成極大的誤差。當(dāng)前第16頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭；(b)受干擾情況當(dāng)前第17頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

2.遲滯比較器電路及傳輸特性為了解決以上兩個問題，在比較器中引入正反饋，構(gòu)成正反饋比較器，即所謂的“遲滯比較器”。這種比較器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而改善了輸出波形的邊緣。當(dāng)前第18頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

1)反向輸入的遲滯比較器反向輸入的遲滯比較器電路如圖3.1.6(a)所示。其中R2將uo反饋到運(yùn)放的同相端與R1一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)F正為下面我們來分析該電路的傳輸特性。當(dāng)前第19頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)因?yàn)樾盘柤釉谶\(yùn)放反相端，所以ui為負(fù)時，uo必為正，且等于高電平UoH=UCC。此時，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:(3.1.2)當(dāng)ui由負(fù)逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時，輸出將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。我們稱uo從高到低所對應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門限電壓，記為UTH，即當(dāng)前第20頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)(3.1.2)而后，ui再增大，uo將維持在低電平。注意此時比較器的參考電壓Ur也將發(fā)生變化，即(3.1.4)當(dāng)前第21頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)可見，當(dāng)ui由正變負(fù)的比較電平將是Ur2(負(fù)值)，故只有當(dāng)ui變得比Ur2更負(fù)時，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電壓，記為UTL，即(3.1.5)綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如圖3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，因此稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用ΔU表示：當(dāng)前第22頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)(3.1.6)正是由于回差的存在，才提高了比較器的抗干擾能力。如圖所示,由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，當(dāng)ui上疊加有干擾信號時，只要該干擾信號的幅度不大于回差ΔU，則該干擾的存在就不會導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯誤跳變。當(dāng)前第23頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.1.7遲滯比較器輸出波形當(dāng)前第24頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)應(yīng)該指出，回差ΔU的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。

2)同相輸入的遲滯比較器電路如圖3.1.8(a)所示，信號與反饋都加到運(yùn)放同相端，而反相端接地(U－=0)。當(dāng)ui為負(fù)極性時，uo也為負(fù)，且Uo=UoL。只有當(dāng)ui極性變正，且當(dāng)同相端電壓U+=U－=0時，輸出狀態(tài)才可能由負(fù)(UoL)向正(UoH)跳變，據(jù)此我們可以確定UoL→UoH跳變的上門限電壓UTH為當(dāng)前第25頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)即故(3.1.3)當(dāng)前第26頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性曲線(a)電路；(b)傳輸特性曲線當(dāng)前第27頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)同理，當(dāng)ui由正向負(fù)變化時，可確定Uo由高電平(UoH=UCC)向低電平(UoL=－UEE)跳變的下門限電壓UTL為(3.1.8)其傳輸特性曲線如圖3.1.8(b)所示，讀者可自行分析。遲滯比較器又名施密特觸發(fā)器或雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個狀態(tài)，且具有記憶功能?！纠?.1.2】電路如圖3.19(a)所示，輸入電壓ui的波形如圖3.1.9(b)所示，試畫出uo1、uo2的波形圖。當(dāng)前第28頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.1.9電路圖與波形圖當(dāng)前第29頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

解

(1)判斷電路組態(tài)。觀察電路可知，A1組成反相比例放大器，A2組成反相輸入遲滯比較器，其傳輸特性分別如圖3.1.10(a)、(b)所示。

(2)uo1波形。

A1組成反相比例放大器，閉環(huán)增益Auf1=－R2/R1=－5,故uo1波形如圖3.1.9(c)所示。uo1=－5×ui=－5×1.6sinωt=－8sinωt(V)

當(dāng)前第30頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)(3)uo2波形。根據(jù)反相輸入遲滯比較器的傳輸特性，UTL=－6V，回差ΔU=12V,故得uo2波形如圖3.1.9(d)所示。當(dāng)前第31頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.1.10傳輸特性(a)第一級反相比例放大器傳輸特性；(b)第二級遲滯比較器傳輸特性當(dāng)前第32頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)3.2弛張振蕩器弛張振蕩器即方波—三角波產(chǎn)生器。對于方波信號發(fā)生器，其狀態(tài)有時維持不變，而有時則發(fā)生突跳。為區(qū)別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號發(fā)生器稱之為弛張振蕩器。弛張振蕩器必須是一個正反饋電路。它由兩部分組成：一部分是狀態(tài)記憶電路;另一部分是定時電路，定時電路是用來控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間的電路。如圖所示，一般用遲滯比較器作為狀態(tài)記憶電路，而用積分器作為定時電路。當(dāng)前第33頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.2.1弛張振蕩器框圖當(dāng)前第34頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)單運(yùn)放弛張振蕩器單運(yùn)放將狀態(tài)記憶電路和定時電路集中在一起，如圖3.2.2(a)所示，其中帶正反饋的運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器，RC構(gòu)成積分器即定時電路。其波形如圖3.2.2(b)所示。當(dāng)前第35頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.2.2單運(yùn)放弛張振蕩器電路及波形當(dāng)前第36頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數(shù)規(guī)律上升，并趨向UoH。此時，運(yùn)放同相端電壓U+為(3.2.1)該電壓為比較器的參考電平。當(dāng)uC上升到該電平值時，即U－=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時的U+記為高門限電壓UTH,即當(dāng)前第37頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)(3.2.1)一旦Uo變?yōu)榈碗娖?，電容就開始放電，后又反充電，uC以指數(shù)規(guī)律下降，并趨向UoL。但是，因?yàn)榇藭r的U+變?yōu)榱硪粋€參考電平(下門限電壓)(3.2.3)當(dāng)前第38頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)所以，當(dāng)uC下降到UTL時，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復(fù)始，運(yùn)放輸出為方波，其峰峰值為Uopp=UoH－UoL=2UCC

(3.2.4)電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(3.2.5)當(dāng)前第39頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)因?yàn)殡娙莩潆姾头烹姇r常數(shù)均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%?，F(xiàn)在來計(jì)算振蕩頻率f0。首先計(jì)算時間T1。如圖3.2.2(b)所示，根據(jù)三要素法，電容電壓uC(t)為(3.2.6)當(dāng)前第40頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)式中(3.2.7)當(dāng)前第41頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得振蕩器可見，改變時常數(shù)RC及正反饋系數(shù)(即R2/R1比值)均可改變振蕩頻率f0。當(dāng)前第42頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)【例】圖3.2.2(a)電路中，若C=0.1μF，R=50kΩ，R1=R2=10kΩ,UCC=|UEE|=12V，試求uo(t)及uC(t)的波形幅度及頻率。

解

(1)uo(t)為方波，其幅度Uom=UoH=|UoL|≈UCC=12V。(2)uC(t)為近似三角波，UC(t)幅度為當(dāng)前第43頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)(3)振蕩頻率f0為當(dāng)前第44頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器我們知道，圖的RC電路不是理想的積分器，它不能保證電容恒流充放電，所以三角波線性不好。如果將RC電路改為理想積分器，保證電容恒流充放電，則可以產(chǎn)生線性很好的三角波。當(dāng)前第45頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)如圖所示，運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。A1輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過來三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始形成振蕩，其波形如圖所示。當(dāng)前第46頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.2.3雙運(yùn)放方波—三角波振蕩器當(dāng)前第47頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖3.2.4雙運(yùn)放方波—三角波振蕩器輸出波形當(dāng)前第48頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

1.uo1和uo2幅度的計(jì)算

(1)uo1的幅度。由圖可見，uo1的高電平UoH=UCC，低電平UoL=－UEE，所以其峰峰值為Uo1pp=2UCC

(3.2.9)

uo2為三角波。當(dāng)uo1為高電平時，C充電，充電電流

(α為電位器RW的分壓比)，uo2隨時間線性下降。再看A1，其反相端接地，當(dāng)U+過零時，A1輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，而U+等于uo1和uo2的疊加，即當(dāng)前第49頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)故

(2)uo2的幅度。同理，當(dāng)uo2為低電平時，C反充電，充電電流，uo2隨時間線性上升，當(dāng)U+再次過零時，算出當(dāng)前第50頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)故所以(3.2.10)可見，若R1＞R2，三角波的幅度可以超過方波的幅度。當(dāng)前第51頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

2.頻率f0的計(jì)算我們知道，在T1時間間隔內(nèi)，電容C的電壓增量ΔUC=

。由式ΔUC=ΔQ/C計(jì)算得當(dāng)前第52頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)故(3.2.11)可見，改變分壓比α可以改變恒流充放電電流，從而可以微調(diào)振蕩頻率。當(dāng)前第53頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

【例】圖電路中，若UCC=UEE=12V，R1=R2=10

kΩ,

RW=10kΩ，α=0.5,R=100kΩ，C=0.01μF，求uo1(t)、uo2(t)波形的幅度及振蕩頻率。解(1)uo1(t)為方波，其振幅Uo1m≈UCC=12V。

(2)uo2(t)為理想三角波，其振幅當(dāng)前第54頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)(3)振蕩頻率當(dāng)前第55頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)3.3單片集成專用電壓比較器用運(yùn)算放大器作為比較器，一般響應(yīng)速度太慢，轉(zhuǎn)換時間和延遲時間太長。有專門的單片集成電壓比較器可供選擇。專用的單片集成電壓比較器作為模擬電路與數(shù)字電路的接口電路，其輸出電平可以與TTL、CMOS或ECL兼容，有些芯片帶負(fù)載能力很強(qiáng)，還可以直接驅(qū)動繼電器和指示燈。有的單片集成電壓比較器的響應(yīng)速度非常快，其轉(zhuǎn)換時間僅為1~3ns。當(dāng)前第56頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)單片集成電壓比較器有單比較器、雙比較器和四比較器之分。有的輸出管集電極開路，使用時必須外加一個上拉電阻到正電源電壓。有的電壓比較器具有選通端，用來控制比較器處于工作狀態(tài)或禁止?fàn)顟B(tài)。有的電壓比較器還帶有鎖存功能，可將比較后的狀態(tài)鎖存起來。表給出了若干單片集成電壓比較器的型號、典型接法和主要參數(shù)，供讀者在選擇和使用比較器時參考。當(dāng)前第57頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)表3.3.1集成專用電壓比較器舉例當(dāng)前第58頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第59頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第60頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第61頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

【例】由單片集成電壓比較器LM311構(gòu)成的整形電路如圖3.3.1(a)所示，LM311的輸出電平轉(zhuǎn)換時間為200ns。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的正弦信號，試問輸出波形將有何變化。

解(1)對于fi1=1kHz的輸入信號，比較器的輸出為方波(如圖3.3.1(b)第一個波形所示)。當(dāng)前第62頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)

(2)對于fi2=1MHz的輸入信號，比較器的轉(zhuǎn)換時間將對波形有較大影響，其輸出方波的邊緣已經(jīng)很差(如圖3.3.1(b)第二個波形所示)。

(3)對于fi3=5MHz的信號，其周期為200ns，半個周期時間為100ns，已經(jīng)少于比較器的轉(zhuǎn)換時間(200ns)，比較器的狀態(tài)根本來不及翻轉(zhuǎn)，故輸出波形為一不變的直線(如圖3.3.1(b)第三個波形所示)。所以，我們在使用器件時，一定要注意器件的特性是否滿足我們的實(shí)際需要。當(dāng)前第63頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)圖電壓比較器和輸出波形(a)電路；對應(yīng)不同信號頻率的輸出波形當(dāng)前第64頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)3.4模擬開關(guān)模擬開關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，用來控制信號的通斷。一個理想的模擬開關(guān)，接通時相當(dāng)于短路，關(guān)斷時相當(dāng)于開路，工作速度要快，各開關(guān)間的隔離度要好。模擬開關(guān)可由雙極型晶體管構(gòu)成，也可以用MOS場效應(yīng)管構(gòu)成。CMOS模擬開關(guān)具有電路簡單、功耗小、導(dǎo)通電阻小、關(guān)斷電阻大等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前第65頁\共有75頁\編于星期六\8點(diǎn)模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號，也可傳輸模擬信號，它是一種模擬器件，與數(shù)字電路中的數(shù)據(jù)選擇器有所不同。數(shù)據(jù)選擇器只能傳輸數(shù)字信號，即使輸入為正弦信號，其輸出也會變成只有高低電平之分的二